CN107008798A - 一种快速冷却板件电磁驱动成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速冷却板件电磁驱动成形方法及装置，在成形线圈的一侧设置成形工件，并将一辅助线圈置于成形线圈与成形工件之间，成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用使辅助线圈加速并驱动成形工件，完成电磁驱动成形过程；在成形线圈的另一侧设置一冷却线圈，通过成形线圈与冷却线圈之间的相互耦合在冷却线圈内部产生感应涡流，带走成形线圈中的部分能量，降低成形线圈的温度。本发明在成形线圈与成形工件之间设置了一由铜编织线绕制的、轴向单层径向多匝的自闭合柔性线圈。
Description
技术领域
本发明属于金属成形制造领域，特别涉及一种快速冷却板件电磁驱动成形方法及装置，主要用于金属板件的成形加工。
背景技术
轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料；电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。
现有板件电磁成形技术中，成形线圈的脉冲电流会使成形温度上升，导致绝缘老化严重，成形线圈的寿命短；此外，目前板件电磁成形通常采用成形工件直接感应涡流，电磁耦合系数小，成形效率低。
目前，电磁成形按加工工件类型，主要分为板材电磁成形和管件电磁成形，本发明提出的技术方案是主要针对金属板件电磁成形。现有的电磁成形专利，如专利“一种电磁驱动成形方法及装置（CN102248693A）”，提出了一种电磁驱动成形方法及装置，采用脉冲电磁力驱动复合冲头快速撞击工件，使其与凹模贴膜完成高精度成形。这一方法虽采用了电磁驱动成形方法，但其复合冲头中的良导体驱动片为一整块导体，驱动线圈与复合冲头之间的耦合系数小，成形效率较低。专利“多级多向电磁成形方法及装置（CN201110162641.3）”，公开了一种多级多向电磁成形方法，其采用多套电源和多组线圈配合使用为驱动线圈供电，可为工件提供更广区域和更长时间的电磁力，然而这一方法需要多套电源、多组线圈，设备成本高，控制难度大。
发明内容
基于上述技术问题，为了提高板件电磁成形的效率，同时降低成形线圈的温度，提高成形线圈的寿命，本发明在成形线圈与成形工件之间设置了一由铜编织线绕制的、轴向单层径向多匝的自闭合柔性线圈；同时在成形线圈的另一侧设置一冷却线圈，通过成形线圈与冷却线圈之间的相互耦合在冷却线圈内部产生感应涡流，带走成形线圈中的部分能量，降低成形线圈的温度。
为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种快速冷却板件电磁驱动成形方法，在成形线圈的一侧设置成形工件，并将一辅助线圈置于成形线圈与成形工件之间，成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用使辅助线圈加速并驱动成形工件，完成电磁驱动成形过程；在成形线圈的另一侧设置一冷却线圈，通过成形线圈与冷却线圈之间的相互耦合在冷却线圈内部产生感应涡流，带走成形线圈中的部分能量，降低成形线圈的温度。
采用所述的快速冷却板件电磁驱动成形方法的成形装置，它包括用于产生脉冲强磁场的成形线圈、用于产生驱动电磁力的辅助线圈、用于冷却成形线圈的冷却线圈、成形工件、凹模、脉冲电源、放电开关、用于降低冷却线圈温度的水循环系统；
脉冲电源通过放电开关为成形线圈供电；
辅助线圈的一侧紧贴成形线圈的一侧而感应涡流产生驱动电磁力；
冷却线圈的一侧紧贴成形线圈的另一侧而感应涡流带走成形线圈中的部分能量；
辅助线圈的另一侧紧贴成形工件的一侧将动能传递给成形工件实现加工；
冷却线圈的另一侧置于水循环系统带走冷却线圈的热量；
凹模位于成形工件的另一侧约束成形工件。
所述辅助线圈采用铜编织线绕制而成的轴向单层、径向多匝的自闭合柔性线圈。
所述辅助线圈可以是一首尾相接的平面涡状线，或多匝相互绝缘的自闭合圆环。
所述冷却线圈为一由铜材制作的轴向单层径向多匝的刚性线圈。
所述冷却线圈可以是多匝相互绝缘的同心等间距自闭合圆环，或是多匝相互绝缘的同心等间距非自闭合圆环。
所述非自闭合圆环中各个圆环均开一窄气隙，圆环通过窄气隙与控制开关串联形成闭合回路。
所述成形线圈的脉冲电流第一次达到峰值时，控制开关由开断状态转为闭合状态，冷却线圈形成闭合回路开始产生感应涡流。
所述冷却线圈的一端紧贴成形线圈，另一端置于水循环系统的水流之中；冷却线圈置于水流中的一端开有水槽。
所述成形线圈和辅助线圈之间设置有一定间隙，间隙小于5mm；
所述冷却线圈的轴向高度不低于50mm。
本发明有如下有益效果：
1、本发明公开了一种快速冷却板件电磁驱动成形方法，在成形线圈的一侧设置成形工件，并将一辅助线圈置于成形线圈与成形工件之间，成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用使辅助线圈加速并驱动成形工件，完成电磁驱动成形过程；在成形线圈的另一侧设置一冷却线圈，通过成形线圈与冷却线圈之间的相互耦合在冷却线圈内部产生感应涡流，带走成形线圈中的部分能量，降低成形线圈的温度。
2、所述的辅助线圈为一由铜编织线绕制的、轴向单层径向多匝的自闭合柔性线圈；其可以是一首尾相接的平面涡状线，或是多匝相互绝缘的自闭合圆环。对于平面涡状线式辅助线圈，通过改变螺距实现电磁力分布的可控；对于自闭合圆环式辅助线圈，通过改变各个自闭合圆环之间的间距实现电磁力分布的可控。
3、本发明采用辅助线圈驱动成形，能大幅增大脉冲电磁力；采用冷却线圈通过电磁耦合带走成形线圈部分能量，达到成形线圈快速冷却的目的；此外，本发明中的辅助线圈，可以通过改变螺距或改变各个圆环之间的间距以改变电磁力分布，从而提高成形工件的成形性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为快速冷却板件电磁驱动成形装置示意图。
图1（a）为带变螺距平面涡状线辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置或带变间距自闭合圆环辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置示意图。
图1（b）为带等螺距平面涡状线辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置或带等间距自闭合圆环辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置示意图。
图2为辅助线圈结构示意图。
图2（a）为等螺距平面涡状线式辅助线圈结构示意图。
图2（b）为变螺距平面涡状线式辅助线圈结构示意图。
图2（c）为等间距自闭合圆环式辅助线圈结构示意图。
图2（d）为变间距自闭合圆环式辅助线圈结构示意图。
图3为冷却线圈结构示意图。
图3（a）为非自闭合圆环式冷却线圈结构示意图。
图3（b）为自闭合圆环式冷却线圈结构示意图。
图4为成形线圈、辅助线圈及冷却线圈的电流示意图。
图4（a）为采用自闭合圆环式冷却线圈时电流示意图。
图4（b）为采用非自闭合圆环式冷却线圈时电流示意图。
图中：1.成形线圈；2.辅助线圈；3. 冷却线圈；31. 水槽；32. 窄气隙；4. 成形工件；5. 凹模；6. 控制开关；7. 水流；8. 成形线圈的脉冲电流；9. 冷却线圈的感应电流；10. 辅助线圈的感应电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
“带变螺距平面涡状线辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形”实施方案：
如图2（b）所示，采用铜编织线绕制变螺距平面涡状线辅助线圈，其中内圈螺距为5mm，线圈5匝，外圈螺距8mm，线圈7匝，外圈外径与外圈内径相隔20mm。如图3（a）所示，采用高度为60mm、厚度为6mm的铜管制作冷却线圈，铜管内半径分别为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm；同时在各个铜管开一窄气隙，用控制开关将窄气隙两端连接形成闭环；此外，在冷却线圈远离成形线圈一端开一水槽。按照图1（a）所示，组建带变螺距平面涡状线辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置：即将冷却线圈开水槽一侧置于水循环系统构建的水流中；将成形线圈与脉冲电源、放电开关串接，并将其紧贴冷却线圈同心放置；将上述变螺距平面涡状线辅助线圈置于成形线圈之上，并保证其同心；将成形工件置于辅助线圈之上，并使之与辅助线圈有一4mm的间隙；将凹模置于成形工件之上并固定。开通放电开关，脉冲电源对成形线圈放电，成形线圈的脉冲电流如图4（b）所示，成形工件的感应电流如图4（b）所示；当成形线圈的脉冲电流达到峰值时，控制开关导通，冷却线圈形成闭环，冷却线圈的感应电流如图4（b）所示。成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用驱动辅助线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；冷却线圈中的感应电流分担了成形线圈的能量，使成形线圈的温度降低，而冷却线圈的能量又会被水循环系统中的水流带走，使之能够重复的冷却成形线圈。因为辅助线圈通常包含多匝，所以其与成形线圈的耦合系数更大，能量传递更多，进而实现了高效率驱动成形。
实施例2：
“带变间距自闭合圆环辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形”实施方案：
如图2（d）所示，采用铜编织线绕制变间距自闭合圆环辅助线圈，分内、中、外三部分。其中内圈螺距为5mm，线圈3匝；中圈螺距6mm，线圈3匝；外圈螺距4mm，线圈2匝；内圈外径与中圈内径、中圈外径与与外圈内径相隔15mm。如图3（a）所示，采用高度为60mm、厚度为6mm的铜管制作冷却线圈，铜管内半径分别为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm；同时在各个铜管开一窄气隙，用控制开关将窄气隙两端连接形成闭环；此外，在冷却线圈远离成形线圈一端开一水槽。按照图1（a）所示，组建带变间距自闭合圆环辅助线圈和非自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置：即将冷却线圈开水槽一侧置于水循环系统构建的水流中；将成形线圈与脉冲电源、放电开关串接，并将其紧贴冷却线圈同心放置；将上述变间距自闭合圆环辅助线圈置于成形线圈之上，并保证其同心；将成形工件置于辅助线圈之上，并使之与辅助线圈有一4mm的间隙；将凹模置于成形工件之上并固定。开通放电开关，脉冲电源对成形线圈放电，成形线圈的脉冲电流如图4（b）所示，成形工件的感应电流如图4（b）所示；当成形线圈的脉冲电流达到峰值时，控制开关导通，冷却线圈形成闭环，冷却线圈的感应电流如图4（b）所示。成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用驱动辅助线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；冷却线圈中的感应电流分担了成形线圈的能量，使成形线圈的温度降低，而冷却线圈的能量又会被水循环系统中的水流带走，使之能够重复的冷却成形线圈。因为辅助线圈通常包含多匝，所以其与成形线圈的耦合系数更大，能量传递更多，进而实现了高效率驱动成形。
实施例3：
“带等螺距平面涡状线辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形”实施方案：
如图2（a）所示，采用铜编织线绕制等螺距平面涡状线辅助线圈，其中螺距为8mm，辅助线圈10匝。如图3（b）所示，采用高度为50mm、厚度为6mm的铜管制作冷却线圈，铜管内半径分别为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm；同时，在冷却线圈远离成形线圈一端开一水槽。按照图1（b）所示，组建带等螺距平面涡状线辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置：即将冷却线圈开水槽一侧置于水循环系统构建的水流中；将成形线圈与脉冲电源、放电开关串接，并将其紧贴冷却线圈同心放置；将上述等螺距平面涡状线辅助线圈置于成形线圈之上，并保证其同心；将成形工件置于辅助线圈之上，并使之与辅助线圈有一2mm的间隙；将凹模置于成形工件之上并固定。开通放电开关，脉冲电源对成形线圈放电，成形线圈的脉冲电流如图4（a）所示，成形工件的感应电流如图4（a）所示；冷却线圈自成闭环，冷却线圈的感应电流如图4（a）所示。成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用驱动辅助线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；冷却线圈中的感应电流分担了成形线圈的能量，使成形线圈的温度降低，而冷却线圈的能量又会被水循环系统中的水流带走，使之能够重复的冷却成形线圈。因为辅助线圈通常包含多匝，所以其与成形线圈的耦合系数更大，能量传递更多，进而实现了高效率驱动成形。
实施例4：
“带等间距自闭合圆环辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形”实施方案：
如图2（c）所示，采用铜编织线绕制等间距自闭合圆环辅助线圈，其中螺距为6mm，辅助线圈7匝。如图3（b）所示，采用高度为50mm、厚度为6mm的铜管制作冷却线圈，铜管内半径分别为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm；同时，在冷却线圈远离成形线圈一端开一水槽。按照图1（b）所示，组建带等间距自闭合圆环辅助线圈和自闭合冷却线圈的快速冷却板件电磁驱动成形装置：即将冷却线圈开水槽一侧置于水循环系统构建的水流中；将成形线圈与脉冲电源、放电开关串接，并将其紧贴冷却线圈同心放置；将上述等间距自闭合圆环辅助线圈置于成形线圈之上，并保证其同心；将成形工件置于辅助线圈之上，并使之与辅助线圈有一1mm的间隙；将凹模置于成形工件之上并固定。开通放电开关，脉冲电源对成形线圈放电，成形线圈的脉冲电流如图4（a）所示，成形工件的感应电流如图4（a）所示；冷却线圈自成闭环，冷却线圈的感应电流如图4（a）所示。成形线圈的脉冲电流与辅助线圈的感应电流之间的相互作用驱动辅助线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；冷却线圈中的感应电流分担了成形线圈的能量，使成形线圈的温度降低，而冷却线圈的能量又会被水循环系统中的水流带走，使之能够重复的冷却成形线圈。因为辅助线圈通常包含多匝，所以其与成形线圈的耦合系数更大，能量传递更多，进而实现了高效率驱动成形。
本发明工作过程和工作原理为：
本发明公开了一种快速冷却板件电磁驱动成形方法，成形线圈的一侧设置辅助线圈，另一侧设置冷却线圈；通过成形线圈与辅助线圈之间的相互作用使辅助线圈加速并驱动成形工件，通过成形线圈与冷却线圈之间的相互耦合带走成形线圈部分能量而降低成形线圈的温度。辅助线圈通常为为一由铜编织线绕制的、轴向单层径向多匝的自闭合柔性线圈；冷却线圈通常为一由铜材制作的轴向单层径向多匝且相互绝缘的等间距自闭合圆环。本发明还同时公开了本方法对应的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，包括用于产生脉冲强磁场的成形线圈，用于产生驱动电磁力的辅助线圈，用于冷却成形线圈的冷却线圈，用于控制冷却线圈闭合的控制开关，用于降低冷却线圈温度的水循环系统。通常冷却线圈的轴向高度不低于50mm，且其置于水流中的一端开有水槽。本发明采用辅助线圈驱动成形，能大幅增大脉冲电磁力；采用冷却线圈通过电磁耦合带走成形线圈部分能量，达到成形线圈快速冷却的目的；此外，本发明中的辅助线圈，可以通过改变螺距或改变各个圆环之间的间距以改变电磁力分布，从而提高成形工件的成形性能。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (10)
1.一种快速冷却板件电磁驱动成形方法，其特征在于：在成形线圈（1）的一侧设置成形工件（4），并将一辅助线圈（2）置于成形线圈（1）与成形工件（4）之间，成形线圈（1）的脉冲电流与辅助线圈（2）的感应电流之间的相互作用使辅助线圈（2）加速并驱动成形工件，完成电磁驱动成形过程；在成形线圈（1）的另一侧设置冷却线圈（3），通过成形线圈（1）与冷却线圈（3）之间的相互耦合在冷却线圈（3）内部产生感应涡流，带走成形线圈（1）中的部分能量，降低成形线圈（1）的温度。
2.采用权利要求1所述的快速冷却板件电磁驱动成形方法的成形装置，其特征在于：它包括用于产生脉冲强磁场的成形线圈（1）、用于产生驱动电磁力的辅助线圈（2）、用于冷却成形线圈的冷却线圈（3）、成形工件（4）、凹模（5）、脉冲电源、放电开关、用于降低冷却线圈（3）温度的水循环系统；
脉冲电源通过放电开关为成形线圈（1）供电；
辅助线圈（2）的一侧紧贴成形线圈（1）的一侧而感应涡流产生驱动电磁力；
冷却线圈（3）的一侧紧贴成形线圈（1）的另一侧而感应涡流带走成形线圈（1）中的部分能量；
辅助线圈（2）的另一侧紧贴成形工件（4）的一侧将动能传递给成形工件（4）实现加工；
冷却线圈（3）的另一侧置于水循环系统带走冷却线圈（3）的热量；
凹模（5）位于成形工件（4）的另一侧约束成形工件（4）。
3.根据权利要求2所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述辅助线圈（2）采用铜编织线绕制而成的轴向单层、径向多匝的自闭合柔性线圈。
4.根据权利要求2或3所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述辅助线圈（2）可以是一首尾相接的平面涡状线，或多匝相互绝缘的自闭合圆环。
5.根据权利要求2所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述冷却线圈（3）为一由铜材制作的轴向单层径向多匝的刚性线圈。
6.根据权利要求2或5所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述冷却线圈（3）可以是多匝相互绝缘的同心等间距自闭合圆环，或是多匝相互绝缘的同心等间距非自闭合圆环。
7.根据权利要求6所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述非自闭合圆环中各个圆环均开一窄气隙（32），圆环通过窄气隙（32）与控制开关（6）串联形成闭合回路。
8.根据权利要求2所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述成形线圈（1）的脉冲电流第一次达到峰值时，控制开关（6）由开断状态转为闭合状态，冷却线圈（3）形成闭合回路开始产生感应涡流。
9.根据权利要求2所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述冷却线圈（3）的一端紧贴成形线圈（1），另一端置于水循环系统的水流之中；冷却线圈（3）置于水流中的一端开有水槽（31）。
10.根据权利要求2所述的一种快速冷却板件电磁驱动成形装置，其特征在于：所述成形线圈（1）和辅助线圈（2）之间设置有一定间隙，间隙小于5mm；
所述冷却线圈（3）的轴向高度不低于50mm。
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